Реферат принцип относительности галилея

Обновлено: 05.07.2024

1. Принцип относительности Галилея и понятие инвариантности
В развитии естествознания важная роль принадлежит впервые сформулированному Галилеем для механического движения, принципу относительности. Характер механического движения выявляет зависимость от системы отсчета, движение его относительно. Галилеем также было введено понятие инерциальной системы для более точного описания физических явлений [1, С. 57]. Инерциальная система отсчета – это система, в отношении к которой справедлив первый закон Ньютона. Она может находиться в состоянии покоя, или движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью системы. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.
Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Связанная с Землей система отсчета является неинерциальной, тем не менее, эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанные с вращением вокруг Солнца и обращением вокруг собственной оси, при решении многих задач очень малы, и в этих случаях можно назвать ее инерциальной. Если системы отсчета движутся равномерно по отношению друг ко другу, прямолинейно и в одной из них признаются законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальные. Для инерциальных систем полностью реализуется механический принцип относительности – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Это означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой являются инвариантными по отношению к преобразованию координат, не изменяются.
Никакими механическими опытами, как заметил Галилей, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, находится она в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, у нас не получится определить, движется ли корабль.
А. Пуанкаре (1854-1912), французский физик и математик, применил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн (1879-1955) использовал его для разработки специальной теории относительности. Её постулаты были предложены ученым в 1905 г.
Нынешняя формулировка принципа относительности в общем виде выглядит так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, проще говоря, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Вместе с принципом относительности в физике закрепились понятия инвариантов и симметрии, инвариантности, а также связь их с законом сохранения и вообще с базовыми постулатами природы.
Понятие инвариантности означает неизменность природных свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

2. Специальная теория относительности: суть, основные положения и постулаты.
Специальная теория относительности – это не что иное, как современная физическую теорию пространства и времени. В ней, подобно классической механике Ньютона, озвучивается предположение, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто носит название релятивистской теории, а специфические явления, которые в ней описаны, – релятивистского эффекта.
Базу специальной теории относительности составляют два постулата Эйнштейна:
принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой; никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно;
принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Эти принципы следует рассматривать как обобщение всей совокупности опытных фактов.

Первое положение, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что законы физики неизменны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно данному постулату все инерциальные системы отсчета абсолютно равноправны, то есть, явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.
Исходя из второго постулата постоянство скорости света в вакууме – есть фундаментальным свойством природы. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Специальная теория относительности указала на нецелесообразность уже сложившихся классических представлений о пространстве и времени, так как они вступали в противоречие с принципом постоянства скорости света. Понятие абсолютного пространства и абсолютного времени утратило свой смысл [3, С. 69].
Раньше пространство и время рассматривались отдельно от движения материальных тел, само же движение вне зависимости от систем отсчета т.е. как абсолютное, то после появления специальной теории относительности было окончательно определено:
всякое движение может описываться только относительно к других тел, которые могут приниматься за системы отсчета, имеющие связь с определенной системой координат;
пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, поскольку лишь совместно они определяют положение движущегося тела. Это причина по которой время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат;
СТО показала, что одинаковость формы законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.
при обобщении принципа относительности и признания его влияния в среде электромагнитных процессов постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Следствия специальной теории относительности:
при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;
ни одно физическое тело и ни одна частица не могут двигаться со скоростью большей скорости света;
время в движущейся системе отсчета замедляется относительно неподвижной системы;
масса и энергия взаимосвязаны.

3. Общая теория относительности. Гравитация (тяготение) и время
Общая теория относительности была опубликована в 1916 г. Иногда её называют теорией тяготения. Будучи результатом развития специальной теории относительности, она распространила её принципы на ускоренные системы или неинерциальные [2, С. 70]. Альберт Эйнштейн говорил о том, что все системы отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны когда речь идет об описании движения материальных объектов

Принцип инерции Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции (первый закон Ньютона). Общепринятая формулировка первого закона Ньютона такова: "Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано". Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными. Оговоримся прежде всего, что под системой отсчета понимается тело отсчета, относительно которого рассматривается движение, связанная с телом отсчета система координат (например, декартова система координат, состоящая из трех взаимоперпендикулярных пространственных координатных осей), и заданный способ определения времени.

Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея: "Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково".

Мы намеренно в формулировке употребили более широкое определение, говоря обо всех физических явлениях, хотя первоначально принцип относительности Галилея относился лишь к механическим явлениям. Однако не следует забывать, что существующая вплоть до XX века механистическая картина мира ставила своей задачей сведение всех физических явлений к механическим. А развитие физики нашего столетия распространило принцип относительности Галилея на все физические явления.

Попробуем критически взглянуть на проделанные нами процедуры при получении преобразований Галилея. Беря производные по времени от кинематических параметров, мы рассматривали изменения этих величин за бесконечно маленькие промежутки времени. При этом нам представлялось само собой разумеющимся, что эти бесконечно маленькие промежутки времени, равно как и любые промежутки времени, одинаковы в обеих системах отсчета. Желая описать движение какого-либо тела, то есть получить уравнений зависимости координат тела от времени, мы некритически оперируем понятием времени. И так было вплоть до создания теории относительности Эйнштейна. Все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях. А отсюда два следствия, неявно присутствующие в наших рассуждениях: во-первых, что "правильно идущие часы" идут синхронно в любой системе отсчета; во-вторых, что временные интервалы, длительность событий одинакова во всех системах отсчета.

Иными словами, мы пользуемся ньютоновским истинным математическим временем, протекающим независимо от чего-либо, независимо от движения.

Рассмотрим теперь неинерциальные системы отсчета. Система отсчета, которая движется относительно инерциальной системы отсчета с ускорением, является неинерциальной. Как следует из принципа относительности Галилея, никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно установить, покоится ли она или движется равномерно или прямолинейно, то есть движение инерциальной системы отсчета не влияет на ход протекающих в ней физических процессов. В неинерциальных системах отсчета это не так: всякое ускорение системы сказывается на происходящих в ней явлениях. Таким образом, на неинерциальные системы отсчета принцип относительности Галилея не распространяется, и законы Ньютона в них не выполняются. Можно попытаться использовать законы Ньютона для описания движения тел и в неинерциальных системах отсчета. Для этого вводят дополнительные силы силы инерции, равные произведению массы тела на ускорение системы отсчета, но при этом направленные противоположно ускорению системы отсчета.

2. Принцип наименьшего действия

В XVIII веке происходит дальнейшее накопление и систематизация научных результатов, отмеченные тенденцией объединения отдельных научных достижений в строго упорядоченную, связную картину мира с помощью систематического применения методов математического анализа к исследованию физических явлений. Работа многих блестящих умов в этом направлении привела к созданию базисной теории механистической исследовательской программы аналитической механики, на основе положений которой были созданы различные фундаментальные теории, описывающие конкретный класс конкретных явлений: гидродинамика, теория упругости, аэродинамика и т. д. Одним из важнейших результатов аналитической механики является принцип наименьшего действия (вариационный принцип), имеющий важное значение для понимания процессов, происходящих в физике конца XX века.

Корни возникновения вариационных принципов в науке уходят в Древнюю Грецию и связаны с именем Герона из Александрии. Идея любого вариационного принципа состоит в том, чтобы варьировать (изменять) некоторую величину, характеризующую данный процесс, и отбирать из всех возможных процессов тот, для которого данная величина принимает экстремальное (максимальное или минимальное) значение. Герон попытался объяснить законы отражения света, варьируя величину, характеризующую длину пути, проходимым лучом света от источника к наблюдателю при отражении его от зеркала. Он пришел к выводу, что из всех возможных путей луч света выбирает кратчайший (из всех геометрически возможных).

В XVII веке, спустя две тысячи лет, французский математик Ферма обратил внимание на принцип Герона, распространил его для сред с различными показателями преломления, переформулировав его в связи с этим в терминах времени. Принцип Ферма гласит: в преломляющей среде, свойства которой не зависят от времени, световой луч, проходя через две точки, выбирает себе такой путь, чтобы время, необходимое ему для прохождения от первой точки ко второй, было минимальным. Принцип Герона оказывается частным случаем принципа Ферма для сред с постоянным коэффициентом преломления.

Принцип Ферма привлек пристальное внимание современников. С одной стороны, он как нельзя лучше свидетельствовал о "принципе экономии" в природе, о рациональном божественном замысле, реализованном в устройстве мира, с другой он противоречил ньютоновской корпускулярной теории света. Согласно Ньютону получалось, что в более плотных средах скорость света должна быть больше, в то время как из принципа Ферма вытекало, что в таких средах скорость света становится меньшей.

В 1740 году математик Пьер Луи Моро де Мопертюи, критически анализируя принцип Ферма и следуя теологическим мотивам о совершенстве и наиболее экономном устройстве Вселенной, провозгласил в работе "О различных законах природы, казавшихся несовместимыми" принцип наименьшего действия. Мопертюи отказался от наименьшего времени Ферма и ввел новое понятие действие. Действие равняется произведению импульса тела (количества движения Р = mV) на пройденный телом путь. Время не имеет какого-либо преимущества перед пространством, равно как и наоборот. Поэтому свет выбирает не кратчайший путь и не наименьшее время для его прохождения, а согласно Мопертюи, "выбирает путь, дающий более реальную экономию: путь, по которому он следует, это путь, на котором величина действия минимальна" . Принцип наименьшего действия в дальнейшем был развит в работах Эйлера и Лагранжа; он явился основой, на которой Лагранж развил новую область математического анализа вариационное исчисление. Дальнейшее обобщение и завершенную форму этот принцип получил в работах Гамильтона. В обобщенном виде принцип наименьшего действия использует понятие действия, выраженного не через импульс, а через функцию Лагранжа. Для случая одной частицы, движущейся в некотором потенциальном поле, функция Лагранжа может быть представлена как разность кинетической и потенциальной энергии:

Уравнения движения частицы могут быть получены с помощью принципа наименьшего действия, согласно которому реальное движение происходит так, что действие оказывается экстремальным, то есть его вариация обращается в 0.

Вариационный принцип Лагранжа Гамильтона легко допускает распространение на системы, состоящие из нескольких (множества) частиц. Движение таких систем обычно рассматривают в абстрактном пространстве (удобный математический прием) большого числа измерений. Скажем, для N точек вводят некоторое абстрактное пространство 3N координат N частиц, образующих систему, называемую конфигурационным пространством. Последовательность различных состояний системы изображается кривой в этом конфигурационном пространстве траекторией. Рассматривая все возможные пути, соединяющие две заданные точки этого трехмерного пространства, можно убедиться, что реальное движение системы происходит в соответствии с принципом наименьшего действия: среди всех возможных траекторий реализуется та, для которой действие экстремально по всему интервалу времени движения.

При минимизации действия в классической механике получают уравнения Эйлера Лагранжа, связь которых с законами Ньютона хорошо известна. Уравнения Эйлера Лагранжа для лагранжиана классического электромагнитного поля оказываются уравнениями Максвелла. Таким образом, мы видим, что использован

Одним из важных законов механики, который позволяет точно описывать движение тел, несмотря на то, что понятие движения является относительным, является принцип относительности Галилея. Рассмотрим кратко суть этого принципа.

Механика в разных Системах Отсчета

Рис. 1. Относительность движения.

Возникает вопрос – если движение относительно, а движение – это один из процессов, изучаемых механикой, то что можно сказать о других процессах?

В частности, главное утверждение механики о том, что причиной ускорения является воздействие на тело со стороны других тел. Как выполняется это утверждение в разных Системах Отсчета ?

Данный вопрос волновал еще античных философов, и связан он с вопросом о движении Земли. Если Земля движется – то почему мы этого не замечаем? В самом деле, люди, движущиеся в повозке, как правило, замечают это.

Однако, уже средневековые ученые отмечали, что люди на повозке замечают движение лишь только по неравномерностям – по толчкам и тряске. Если же их нет (например, движение происходит на корабле в спокойной воде) – то отличить движение от покоя невозможно. Причина этого лежит в том, что корабль, плывущий по спокойной воде – является инерциальной Системой Отсчета.

Рис. 2. Инерциальные Системы Отсчета.

Принцип относительности Галилея

Например, если измерять ускорение свободного падения на поверхности Земли и в движущей равномерно и прямолинейно лаборатории – то значение будет одинаковым. При этом не имеет значение направление движения – лаборатория может равномерно двигаться вверх или вниз, все равно изменение скорости падающих в ней предметов будет одинаковым (изменением гравитации с высотой пренебрежем).

Тоже самое произойдет с любыми другими механическими взаимодействиями. Например, если тело получает некоторый импульс с помощью пружины, то импульс будет совершенно одинаков как в покоящейся, так и в движущейся лаборатории. Измерение массы тел, уравновешивание весов – все это также будет происходить независимо от того, движется ли Система Отсчета, в которой это происходит, или нет.

Неинерциальные Системы Отсчета

Казалось бы, это означает нарушение принципа относительности – ведь ясно, что масса человека не менялась. Однако, необходимо учесть, что принцип относительности применим для инерциальных систем отсчета, то есть для тех систем, которые движутся без ускорения.

Движущийся лифт в первые и последние моменты движения движется с ускорением, и он в это время не является инерциальной Системой Отсчета. Принцип относительности на него не распространяется.

Что мы узнали?

Механический принцип Относительности Галилея гласит, что все механические процессы в любых инерциальных Системах Отсчета происходит одинаково. Описание любого движения, любого взаимодействия тел в любой инерциальной Системе Отсчета даст одинаковые результаты, независимо от того, покоится ли эта Система или движется равномерно и прямолинейно.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

В этом году отмечается 130 лет со дня рождения величайшего ученого XX столетия А. Эйнштейна. Его имя неразрывно связано с великой революцией в физике, свершившейся в начале века, – с созданием квантовой теории и теории относительности, причем вклад Эйнштейна в становление современной физической картины мира оказался определяющим. Он стоял у колыбели квантовой механики. Ему принадлежат первоклассные работы по статистике. Именно за работы в этих областях в 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Эйнштейну мы воздаем славу как человеку, сказавшему решительное слово в формировании специальной теории относительности, взявшему ответственность за ее физическое содержание и последовательно отстаивавшему созданную теорию, а также как создателю общей теории относительности. Теория относительности Эйнштейна перестала быть академическим учением – сейчас ею интересуются очень широкие круги. Ведь без эйнштейновской формулы о взаимосвязи энергии и массы нельзя понять ядерные процессы, а замедленное старение организмов в условиях быстрого движения волнует умы многих в связи с проблемами полета к далеким звездам. Велико и мировоззренческое значение теории относительности, так как она затрагивает коренные свойства времени и пространства.

Обе теории сосредотачиваются на новых подходах к пространству и времени, подходах, которые отличаются глубоко от тех, которые используются в каждодневной жизни; но релятивистские понятия пространства и времени неразрывно вплетаются в любую современную интерпретацию физических явлений в пределах от атома до вселенной в целом.

1. Истоки теории относительности. Принцип относительности Галилея

Первый закон Ньютона в одинаковой мере предусматривает как сохранение покоя, так и сохранение равномерно-прямолинейного движения; следовательно, он одинаково хорошо выполняется в обеих системах.

Второй закон Ньютона выражается формулой

где F – сила, а – ускорение, m – масса. Например, если подействовать на шар В силой, направленной влево, он приобретет ускорение направленное в ту же сторону.

Основной вывод из всего сказанного лучше всего может быть выражен в виде так называемого принципа относительности Галилея (Галилей был гениальным предшественником Ньютона; многие принципиально важные положения механики содержались уже в его исследованиях).

Принцип относительности Галилея гласит : во всех инерциальных системах отсчета законы механики формулируются совершенно одинаково. Это значит, что никакими механическими опытами внутри лаборатории нельзя установить, покоится ли она относительно главной системы или же движется относительно нее равномерно-прямолинейно.

Установленный Галилеем принцип относительности касался только механики – единственного раздела физики, достигшего к тому времени достаточного развития.

2. Преобразование Галилея

Пусть одно и то же явление описывается в двух инерциальных системах отсчета. Возникает вопрос о пересчете от описания явления в одной системе отсчета к описанию того же явления в другой системе. В качестве грубой иллюстрации можно представить себе две радиолокационные установки: одну – расположенную на земле, а другую – на самолете; вопрос состоит тогда в пересчете от показаний одной установки к показаниям другой.

Для такого пересчета нужно, прежде всего, знать связь между координатами и временем х, у, z, t в одной системе отсчета и координатами и временем х', у', z', t' в другой системе. Старая физика принимала как нечто самоочевидное существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета. Поэтому с точки зрения старой физики необходимо было положить t' = t или, самое большее, допустить изменение начала отсчета времени.

Если рассматривать два события, происшедших в моменты времени t и π , то промежуток времени между ними должен был (с точки зрения старой физики) получиться одинаковым во всех системах отсчета. Отсюда,

( x – ξ ) 2 + ( y – η ) 2 + ( z – ζ ) 2 = ( x ' – ξ ') 2 + (у' – η ') 2 + ( z ' – ζ ') 2 (1.02)

Из (1.01) и (1.02) однозначно вытекает общий вид преобразования, связывающего координаты и время х, у, z, t с координатами и временем х', у', z'. Это преобразование состоит из переноса начала отсчета координат и времени, из поворота пространственных координатных осей и из преобразования вида

где V x t , V y t , V z t – постоянные, физический смысл которых легко найти: это есть скорость движения штрихованной координатной системы относительно нештрихованной (точнее – составляющие этой скорости в нештрихованной системе). Преобразование (1.03) носит название преобразования Галилея.

Таким образом, старая физика утверждала, что если дана инерциальная система отсчета, то координаты и время во всякой другой системе отсчета движущейся относительно нее прямолинейно и равномерно, связаны с (х, у, z, t) преобразованиями Галилея (с точностью до переноса начала и поворота осей). Преобразование Галилея удовлетворяет принципу относительности в отношении законов механики, но не удовлетворяет ему в отношении законов распространения света.

Отсюда следует, что преобразование Галилея в общем случае неправильно и должно быть заменено другим.

3. Преобразование Лоренца

Таким образом, поправки, которые внесет бетацентрист в оценку альфацентриста, сведутся к следующему:

к замене отрезка BS отрезком CS, параллельным оси х β , что равносильно умножению величины х' на некоторый коэффициент k 1 , зависящий от угла φ= arc tg v , но одинаковый для всех событий.

к изменению единицы длины, что также равносильно умножению величины х' еще на один коэффициент k 2 , тоже зависящий только от v.

Учитывая обе поправки, мы можем написать:

х β = k 1 k 2 х'= k 1 k 2 (х α – vt α ),

или, рассматривая произведение k 1 k 2 как новый коэффициент К (зависящий от v ),

х β = K (х α – vt α ).

Полученная формула преобразования координаты х при переходе к другой инерциальной системе отсчета отличается от галилеевской только наличием коэффициента K .

Поскольку единицы длины и времени выбираются не независимо, а с таким расчетом, чтобы скорость света численно равнялась единице (например, единица времени – секунда, а единица длины – световая секунда), они должны изменяться благодаря движению в одинаковое число раз (иначе был бы нарушен принцип постоянства скорости света). Следовательно, поправочный коэффициент k 2 , введенный ранее для длин, справедлив также и для отрезков времени.

Что же касается перехода от отрезка NS к отрезку R S, то он, в силу подобия треугольников NRS и BCS, тоже сводится к умножению на введенный уже коэффициент k 1 . Отрезок же MN равен vx α (как катет треугольника OMN, в котором tg φ = v). Поэтому

t β = k 2 ∙ RS = k 2 ∙ k 1 NS = k 1 k 2 ( MS – MN )= k 1 k 2 ( t α - vx α ),

t β = K ( t α - vx α ),

где K = k 1 k 2 – знакомый уже нам коэффициент, зависящий только от v (в принятой нами системе единиц t и х выражаются в секундах, a v – безразмерная величина).

Полученная формула преобразования временной даты события при замене одной инерциальной системы отсчета другой инерциальной же системой противопоставляется галилее-ньютоновскому представлению о единой для всех систем универсальной шкале времени. Эта формула отражает как зависимость хода часов от их движения, так и различие в понимании одновременности.

К полученным нами двум формулам преобразования расширенных координат события

х β = K (х α – vt α ),

t β = K ( t α - vx α )

могут быть еще добавлены очевидные соотношения

y β = y α , z β =z α ,

5. Теория относительности А. Эйнштейна

Альберт Эйнштейн (1879–1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907–16) теории относительности.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме – это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E=mc 2 . Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.

Этот постулат распространяет принцип относительности Галилея на все явления природы. Он раз навсегда кончает с абсолютным пространством: если все инерциальные системы отсчета равноправны, то среди них нет привилегированной системы отсчета.

Постулат II. Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям и в любой области данной инерциальной системы отсчета и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Часто к этому постулату добавляют еще, что скорость света в вакууме не зависит от скорости источника. Это, однако, сразу следует из постулата II в той форме, в которой он выписан выше.

Действительно, с источником всегда можно связать инерциальную систему отсчета (если он движется неравномерно и по кривой, то мгновенно сопутствующую инерциальную систему). В этой системе источник покоится, а все остальные инерциальные системы движутся относительно пего (а он относительно них). Согласно постулату II скорость света во всех этих системах одинакова, по это и означает, что она не зависит от скорости источника.

После того как сформулированы первые принципы теории относительности – два постулата Эйнштейна, – можно сформулировать общую задачу специальной теории относительности. Ее основа – это принцип относительности: равноправие всех специальных систем отсчета по отношению ко всем физическим явлениям. Теория относительности обязана дать такое описание физических явлений, которое было бы одинаковым во всех инерциальных системах отсчета. Но если в нашем распоряжении есть уравнения, описывающие ту или иную группу явлений, то эти уравнения должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета (в каждой системе отсчета в своих переменных). Вспомним, что в уравнения механики и электродинамики существенным образом входят координаты и время наступления события. При переходе от одной инерциальной системы к другой координаты и время наступления события преобразуются. Преобразования Галилея изменяют вид уравнений Максвелла, но, поскольку мы хотим сохранить уравнения Максвелла, как правильные уравнения электромагнитного поля, во всех инерциальных системах, нам следует найти такие преобразования координат и времени, которые сохраняют вид максвелловских уравнений. Такими преобразованиями окажутся преобразования Лоренца.

Однако преобразования Лоренца непосредственно вытекают и из постулатов Эйнштейна. Дело в том, что теория Максвелла была построена с самого начала как релятивистская. Внутренняя причина этого состоит в том, что она содержала в себе правильное описание свойств самого релятивистского объекта – света. Таким образом, найдя преобразования координат и времени события, удовлетворяющие постулатам Эйнштейна, мы должны позаботиться о том, чтобы основные уравнения физики были одинаковыми во всех инерциальных системах, т.е. были бы ковариантными по отношению к этим преобразованиям.

Основными законами в механике мы называем уравнения Ньютона, в электродинамике – уравнения Максвелла, в термодинамике – уравнения, выражающие первое и второе начала.

И все же самое главное в теории относительности, вопреки ее названию, – это совсем не относительность различных величин, т.е. их зависимость от выбора системы отсчета. Суть теории относительности как раз в обратном. Теория относительности показывает, что законы природы в инерциальных системах отсчета не зависят от выбора системы отсчета, не зависят от положения и движения наблюдателя, а результаты измерений в различных системах отсчета могут быть сопоставлены. Говоря философским языком, теория относительности подчеркивает объективный характер законов природы, а вовсе не относительность знания.

Теория относительности А. Эйнштейна – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Так как закономерности, устанавливаемые теорией относительности, – общие для всех физических процессов, то обычно о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, когда полями тяготения можно пренебречь, называется специальной или частной теорией относительности, или просто теорией относительности. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения Эйнштейна. Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях v движения тел, близких к скорости света в вакууме.

В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света. Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности: существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел и др. Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

Ряд выводов общей теории относительности качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

Представления о пространстве и времени составляют основу физического миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

Список используемой литературы

Е. Куранский. Альберт Эйнштейн и теория гравитации. – М., 1979

Ю. Соколовский. Теория относительности в элементарном изложении. – М., 1964

Читайте также: